果蔬氣調(diào)包裝保鮮效果分析及設(shè)計(jì)方法

董志遠(yuǎn) 王克儉（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心）

一、概述

水果和蔬菜是人類飲食不可或缺的部分，其在貯存和運(yùn)輸過程中的保鮮極為重要。采用氣調(diào)貯藏與氣調(diào)包裝可以顯著延長果蔬保質(zhì)期。氣調(diào)包裝是根據(jù)果蔬呼吸作用的差異與變化，僅以包裝材料滲透性能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)包裝內(nèi)部氣體濃度，從而減緩果蔬呼吸速率，同時(shí)降低微生物的生長繁殖速度和乙烯的生成量，最終達(dá)到延長果蔬保鮮期的目的[1]。

氣調(diào)包裝的效果和質(zhì)量受多種因素的影響，主要包括果蔬產(chǎn)品的呼吸速率、氣體組成、包裝薄膜的特性、包裝容量大小以及貯藏溫度、濕度等。依據(jù)初始?xì)庹{(diào)環(huán)境建立方式的不同，氣調(diào)包裝可分為自發(fā)氣調(diào)包裝（MAP）和主動(dòng)氣調(diào)包裝（CAP）兩類。自發(fā)氣調(diào)包裝是指利用果蔬的呼吸作用消耗O2產(chǎn)生CO2逐漸構(gòu)成低O2與高CO2的氣調(diào)環(huán)境，所需時(shí)間較長，但包裝成本低，常用于鮮切哈密瓜、蘋果、胡蘿卜、萵筍及西蘭花等果蔬的保鮮包裝中；而主動(dòng)氣調(diào)包裝是通過對(duì)包裝袋抽真空后按一定比例充入混合氣體人為建立氣調(diào)環(huán)境[2]。

二、氣調(diào)包裝保鮮效果影響因素

2.1 包裝材料

2.1.1 傳統(tǒng)包裝材料

包裝材料是氣調(diào)包裝中最重要的一環(huán)，它必須要有較高的氣體阻隔性能，從而保證包裝內(nèi)的混合氣體不外漏。隨著高分子材料的發(fā)展，高聚物薄膜越來越多地應(yīng)用于氣調(diào)包裝材料中。目前，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙稀（PVC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、雙向拉伸聚苯乙烯（BOPS）、聚苯乙烯（PS）收縮膜、聚丁二烯（PB）拉伸膜、乙烯－醋酸乙烯共聚膜（EVA）等都是MAP包裝常用的聚合膜材料[3]。在生產(chǎn)薄膜的過程中，可采用不同的工藝技術(shù)和填充配料制造合適的包裝材料。表1列舉了常見的各項(xiàng)食品包裝材料的性能。

表1 常見食品氣調(diào)包裝材料性能[4]

關(guān)于比較各種材料的保鮮性能，許多研究者進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。閻瑞香[5]等研究不同包裝對(duì)其貯藏品質(zhì)的影響，采用不同的聚乙烯保鮮膜對(duì)雙孢蘑菇進(jìn)行了包裝處理發(fā)現(xiàn)，褐變強(qiáng)度、生理相關(guān)酶活性及其衰老物質(zhì)的含量等均低于未包裝對(duì)照組，能較好地保持其原有的品質(zhì)。

江南大學(xué)食品科學(xué)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的安建申等[6]研究了不同厚度薄膜氣調(diào)包裝對(duì)水蜜桃貯藏品質(zhì)的影響，測定總糖含量、失重率、可滴定酸含量以及包裝內(nèi) O2和 CO2體積分?jǐn)?shù)變化，表明氣調(diào)包裝能顯著保持水蜜桃可滴定酸含量水平并抑制其總糖含量的降低。

2.1.2 新型包裝材料

氧化反應(yīng)是食品變質(zhì)的一個(gè)主要原因，因此使用具有抗氧化活性的薄膜材料對(duì)新鮮果蔬進(jìn)行包裝逐漸成為近些年來的趨勢。

抗氧化活性膜是通過將抗氧化劑添入包裝材料或涂覆在包裝材料上，在一定時(shí)間或空間內(nèi)包裝材料內(nèi)部的活性抗氧化劑可以以較緩慢的速度釋放到包裝內(nèi)部，以此來對(duì)食品起到抗氧化作用的一種新型包裝材料。

納米技術(shù)的迅速發(fā)展為食品保鮮領(lǐng)域提供了一些新方法。在對(duì)生鮮食品包裝的研究中，納米粒子的加入會(huì)使薄膜的機(jī)械性能、生物降解性能、抗菌性能等得到提高。

傳統(tǒng)薄膜對(duì) CO2和 O2滲透調(diào)控不足，納米保鮮膜可以解決這個(gè)問題，添加某些成分后還可以達(dá)到防霉、抑菌等特殊效果。但是納米保鮮膜的成膜基材種類較少，且造價(jià)較高。

2.2 氣體比例

對(duì)于水果蔬菜，貯藏環(huán)境中的 O2和 CO2濃度是影響呼吸速率的重要因素之一，若是單獨(dú)利用真空包裝很難起到切實(shí)有效的作用，氣調(diào)包裝技術(shù)能夠在一定程度上彌補(bǔ)真空包裝的不足，進(jìn)一步抑制微生物的腐敗。海南大學(xué)碩士研究生夏兵[7]研究了氣調(diào)包裝對(duì)檳榔的保鮮效果，通過對(duì)檳榔呼吸類型和速率的測定計(jì)算，試驗(yàn)得出溫度為6℃，氣體成分為O2：CO2：N2=2%：5%：93%是主動(dòng)氣調(diào)包裝貯藏最佳參數(shù)。Villaescusa等[8]用氣調(diào)儲(chǔ)藏蘑菇，儲(chǔ)藏溫度為 4℃，初始?xì)怏w濃度為O2：CO2=15%：5%時(shí)具有最低的呼吸強(qiáng)度和最好的貯藏效果。張璇[9]等研究發(fā)現(xiàn)高CO2濃度能更好的保持杏鮑菇細(xì)胞壁的完整，維持更高的細(xì)胞壁蛋白質(zhì)、多糖的含量。

2.3 貯藏溫度

貯藏溫度與果蔬的呼吸作用息息相關(guān)。高溫下果蔬呼吸代謝旺盛，生理變化迅速，水分易損失；溫度過低則可能形成冷害，使生理代謝失調(diào)而縮短了果蔬壽命。適度降溫使呼吸降低到不影響正常生理功能的最低值，抑制營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，保持良好營養(yǎng)和感官品質(zhì)。表2是國外幾種果蔬氣調(diào)包裝的混合氣體配比和貯藏溫度。

表2 幾種果蔬氣調(diào)包裝混合氣體和貯藏溫度[10]

除以上因素之外，果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)還取決于果蔬呼吸速率、果蔬重量、包裝薄膜厚度、透氣率以及袋的表面積等參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要全面考慮。

三、氣調(diào)包裝的設(shè)計(jì)方法

果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程問題，其大致流程為：

（1）需要確定包裝內(nèi)能夠最大限度延長貨架期的目標(biāo)氣調(diào)環(huán)境?？梢酝ㄟ^查找文獻(xiàn)資料獲取這方面的信息，或者可以通過預(yù)備實(shí)驗(yàn)確定對(duì)果蔬氣調(diào)組分和貯藏溫度[11]。

（2）目標(biāo)氣調(diào)環(huán)境被確定后，接下要確定被包裝鮮果在該目標(biāo)環(huán)境下的呼吸商和呼吸速率，可通過實(shí)驗(yàn)測量或建立鮮果呼吸模型來完成[12]，還能對(duì)包裝內(nèi)氣體濃度變化趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測。

（3）確定包裝膜的相關(guān)參數(shù)。可以先確定包裝膜的厚度、規(guī)格以及果蔬裝載量，再根據(jù)目標(biāo)氣體濃度和果蔬的呼吸速率，計(jì)算所需包裝薄膜的氣體滲透率，尋找與理想值最接近的薄膜材料。

（4）需要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證包括兩方面的內(nèi)容：①包裝容器內(nèi)能否按預(yù)期設(shè)計(jì)目的形成并保持目標(biāo)氣體濃度；②包裝件是否有效延長了被包裝水果的保質(zhì)期。若驗(yàn)證結(jié)果符合預(yù)期目的，則說明所設(shè)計(jì)的包裝參數(shù)有效。否則，需要重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

文獻(xiàn)中常見的鮮果氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)方法有兩種：試驗(yàn)法和理論模型法。

試驗(yàn)法是指通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)的途徑尋找較為適合于某種特定鮮果氣調(diào)包裝的參數(shù)組合值，如薄膜種類、薄膜厚度、初始?xì)怏w濃度及環(huán)境溫濕度等，缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)結(jié)果普適性差。

理論模型法是指根據(jù)氣調(diào)包裝的內(nèi)在機(jī)理建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)模型公式用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，該方法理論性強(qiáng)，涉及的變量和步驟較多，對(duì)設(shè)計(jì)者的專業(yè)理論知識(shí)提出了很高的要求，因此，限制了其在工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。江南大學(xué)的博士研究生段華偉從鮮果氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論入手，從繁多復(fù)雜的設(shè)計(jì)變量中提取出八個(gè)對(duì)氣調(diào)包裝性能有決定性影響的關(guān)鍵參數(shù)，提出圖1所示的分級(jí)設(shè)計(jì)原則，給出了圖2基于關(guān)鍵參數(shù)比例法的“5+1”設(shè)計(jì)流程。

圖1 鮮果氣調(diào)包裝的分級(jí)設(shè)計(jì)原理圖[13]

圖2 “5+1”氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)流程圖[14]

在設(shè)計(jì)其他包裝時(shí)，還要考慮所用材料是否會(huì)造成污染，包裝產(chǎn)品使用過后是否可以回收再利用。生物可降解高分子材料就是一種新型的包裝材料。當(dāng)前，常見的應(yīng)用材料如聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等開始在果蔬的保鮮中嶄露頭角。這些材料使用廢棄后，在自然界中可以通過微生物的分解作用而無機(jī)化成為自然界中碳循環(huán)的一部分，被稱為環(huán)境友好型材料。Bá rbaraBiduski[14]等在對(duì)高粱淀粉進(jìn)行酸與氧化雙重改性后得到的材料提高了硬度與拉伸性，這對(duì)需要?jiǎng)傂园b的生鮮食品具有重要意義。

四、結(jié)論與展望

果蔬氣調(diào)包裝保鮮效果影響因素主要包括包裝材料、氣體比例、貯藏溫度等，不同的氣調(diào)包裝參數(shù)對(duì)果蔬呼吸速率及薄膜透氣率等有較大影響，從而影響果蔬的貯藏期限。

目前，對(duì)氣調(diào)包裝的研究大部分集中在試驗(yàn)式探討幾種氣體組分、薄膜材料、貯藏條件對(duì)某種果蔬的保鮮效果，對(duì)果蔬氣調(diào)包裝理論和方法論的研究較為缺乏，這也是制約鮮果氣調(diào)包裝步入高層次工程化和商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。因此，如何突破這一瓶頸，提供新的理論和方法是決定鮮果氣調(diào)包裝能否被提升到新的應(yīng)用水平的關(guān)鍵，也是今后鮮果氣調(diào)包裝研究領(lǐng)域里的重要方向之一。